Технические науки / отраслевое машиностроение

Скачков В.О., Бережна О.Р., Іванов В.І., Мосейко Ю.В.

Про МЕХАНІЗМ формування захисних покриттів на вуглецевих волокнах

Запорізька державна інженерна академія

Загальна технологічна схема виробництва силіційованих вуглець-вуглецевих композитів передбачає формування вуглець-полімерної заготовки, її карбонізацію, просочення заготовки рідким кремнієм та проведення процесу створення карбідів. Під час реалізації зазначеної технологічної схеми необхідно забезпечити збереження цілісності вуглецевих волокон у процесі утворення карбідів.

Для виключення процесу розчинення вуглецевих волокон у рідкому кремнії необхідним є створення на поверхні волокон буферних захисних покриттів. За умов просочення й утворення карбіду кремнію захисні буферні шари на армуючих компонентах композитів не повинні взаємодіяти з вуглецем і кремнієм та при цьому бути стійкими до дії температури процесу силіціювання. Для зазначеної цілі найбільш відповідними матеріалами є оксиди металів.

Вуглецеві волокна відносять до перехідних форм вуглецю, що не графітуються та підрозділяються на анізотропні й ізотропні. Загальним для обох типів волокон є існування турбостатних елементів та аморфного вуглецю різних гібридних форм. Розміри пакетів ізотропних волокон декілька менше, ніж у анізотропних волокон, але дана різниця не є такою суттєвою. Анізотропні волокна є побудованими із волокнини, розташованої паралельно осі волокна, в ізотропних волокнах містяться стрічкоподібні структури, які відмінні від волокнини анізотропних волокон.

Основу анізотропного вуглецевого волокна складають плоскі довгі вузькі стрічки поліконденсованого ароматичного вуглецю з переважною орієнтацією уздовж осі волокна. Стрічки мають ширину близько 30...100 A та довжину декілька тисяч ангстрем. Певна кількість пачок вуглецевих стрічок (3...7), з’єднуючись між собою, створює мікроволокнину.

На межах волокнина поділена міжфібрілярним простором, що є порами довжиною 200...300 A та діаметром 10...20 A, які орієнтовано уподовж осі волокна. Внутрішня поверхня пор зростає з температурою обробки, сягаючи максимального значення (800 м²/см³) за 2000 °С. Загальний обсяг пор коливається у межах 5...30 % від об’єму волокна.

У карбонізованому волокні (температура обробки 1000 °С) є розвинена система міжкристалічних хімічних зв’язків і значна кількість дрібних пор. З підвищенням температури обробки (вище 1900 °С) відбувається розпадання міжкристалічних хімічних зв’язків, унаслідок чого зменшується міцність волокна. Одночасно збільшуються розміри кристалітів і поліпшується орієнтація базисних площин уздовж осі волокна. Відбувається злиття дрібних пор, зменшення їх кількості, збільшення розмірів пор. Перерозподіл пор супроводжується зменшенням внутрішньої поверхні волокна. Вміст аморфного вуглецю у карбонізованому волокні складає 30 %, а у волокні, яке піддано обробці за температури 2000 °С знижується до 5 % [1].

Як початкові матеріали використовували вуглецеві волокна на основі гідратцелюлози та поліакрилонітрилу: «Урал», «УКН-5000», «ВМН-4». На зазначені волокна захисне покриття наносили методом просочення шляхом занурення до імпрегнату, що містить до 40 % оксидів металів [2]. Під час просочення імпрегнат дифундує до пористої структури волокон та осідає на їх поверхні.

Перевірку ефективності нанесеного покриття здійснювали методом окислення у присутності кисню за температури 200, 400 і 700 °С. За кожної зазначеної температури зразки витримували протягом трьох годин. Стійкість покриття оцінювали за величиною відносної втрати маси зразків. Основні результати проведених досліджень подано у таблиці.

Окислювальна стійкість вуглецевих волокон

Тип волокна	Маса волокна, г, до (А) та після (Б) просочення		Відносна втрата маси зразка, %, за температури, °С та часу, годин:
	А	Б	400			700
			1,0	2,0	3,0	1,0
без покриття	3,5478	3,5478	79,65	85,37	99,59	-
«Урал»	1,7664	2,3986	8,23	11,28	13,02	73,51
«УКМ-5000»	3,3752	5,4946	11,32	13,49	14,53	45,69
«ВМН-4»	2,6534	4,6234	7,59	8,45	8,66	59,63

Розгляд результатів експериментів свідчить, що з підвищенням температури процесу окислення ефективність захисного покриття зростає з 36 до 50 %. Збільшення тривалості процесу для компонентів з покриттями зумовлює меншу швидкість втрати маси по відношенню до компонентів без покриття. Також результати проведених експериментів показують, що зразки із захисним покриттям мають вищу стійкість, ніж зразки без покриття.

Література

1. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. - М.: Химия, 1974. - 375 с.

2. Скачков В.А., Иванов В.И., Карпенко А.В., Оверчук О.Р. Структура и свойства термостойких углерод-кремниевых композитов // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 3. - С. 133-134.